Coeficiente global - Transferencia de Calor
Agradeceremos nos haga llegar su opinión sobre el uso de este procesador y si le ha sido útil su contenido

Objetivos.

Coeficiente total de transferencia de calor.
Coeficiente de conductividad térmica de materiales (sólidos)
Emisividad de diversas superficies
Procesador de cálculo. Como utilizarlo
Calculador. Formulario registro de datos
Reporte - Panel de salida

El coeficiente total.

El coeficiente total de transferencia de calor es el inverso de la suma de las diferentes resistencias que pueden oponerse al flujo calorífico, impulsado por el potencial motriz de la diferencia de temperatura entre la alta y la baja. Este coeficiente total considera la resistencia del calor que se presenta entre el medio o fluido que está en contacto con la superficie interior de la pared o tubería, la resistencia al paso del calor del material que forma la pared, las distintas resistencias que se agregan por las capas que recubren la pared o tubería y la resistencia que produce por la película de líquido, gas, aire o fluido en el exterior o ambiente circundante. Todas ellas se suman y forman el coeficiente total de transferencia de calor. Las ecuaciones básicas para estos cálculos son las siguientes:

Suma de las resistencias	Ecuación de Fourier
∑R=(1/hi) + Lm/km + (1/ho)	Q= U A ∆T

donde U es el inverso de la resistencia R
hi, ho, los coeficientes de transferencia individuales de las corrientes o películas en el lado caliente y en el lado exterior.
km, es el coeficiente de conductividad térmica de cada material presente
Lm, el espesor de cada material
Q el calor total transferido
A es el área de transferencia. En el calculador se asume área unitaria.
∆T es la diferencia de temperatura entre las superficie caliente y fría.

Si un coeficiente de película es muy grande con relación al resto, pudiera despreciarse. El coeficiente menor proporciona la mayor resistencia y el coeficiente total de transferencia es muy cercanamente el recíproco de la resistencia mayor. Este criterio nos sirve para saber cuál de los procesos que ocurren es el controlante o de mayor importancia en la transferencia de calor. Así el proceso controlante será aquel que más resistencia oponga al flujo del calor.

Ojo, si se trata de un sistema de intercambio calórico, desde un fluido caliente a otro frío, proceso que es muy común en la industria y que lo encontramos en el calentamiento indirecto de los fluidos térmicos, en la evaporación y condensación, en la destilación, etc, o en los sistemas de refrigeración y climatización de las edificaciones, para el enfriamiento de los fluidos (agua - fluidos frigoríficos), entonces nos conviene reducir la resistencia al paso del calor y para eso, eliminar incrustaciones, suciedades, aumentar el régimen de flujo,. Pero si se trata de aislar térmicamente, lo conveniente es aumentar resistencias al paso del calor, impedir que se nos escape la energía al medio exterior y para esto debemos colocar revestimientos aislantes y cubiertas que hermeticen e impidan la destrucción de los revestimientos o la penetración del vapor, en caso de superficies frías.

El procesador de cálculo que aquí se presenta, calcula las resistencias y las agrega, si se registran los coeficientes individuales de cada proceso de transferencia y calcula el coeficiente total, así como el calor total transferido. En esta versión del procesador no considera el fenómeno de trasferencia de calor que pudiera ocurrir del lado interior de la pared, caliente o frío , (hi), si es que esa pared está en contacto con la circulación libre o forzada de un fluido. Una de las razones para no considerar esto es que el objetivo principal que perseguimos, es facilitar los cálculos complejos enfocando el resultado a la reducción de las pérdidas del calor, agregando resisencia o aislamientos. Demostrar que aumentando las capas o revestimientos y reduciendo los coeficientes de conductividad térmica, podemos frenar el flujo de calor al exterior, que constituyen las perdidas.

Las tablas siguientes contienen la información de los coeficientes de conductividad térmica de los materiales y de la emisividad de las superficies más empleadas en la industria. Ambos valores se requieren para registrar en el procesador de cálculo.

Coeficiente de conductividad térmica de materiales (sólidos)

coeficiente de conductividad térmica de materiales (sólidos) Ref: Transmisión del Calor, McAdams
Materiales	temperatura, ºC	coeficiente
Aceros, hierro, otros metales, aleaciones		k=kcal/(h-m2)(ºC/m)
Acero, 1% de C	18	39,0
Acero, 1% de C	100	38,6
Fundición	54	41,1
Fundición	102	39,8
Hierro puro	18	58,0
Hierro puro	100	54,5
Hierro forjado	18	52,0
Hierro forjado	100	51,5
Aluminio, laminas	30 - 100	170 - 190
Níquel cromo con hierro	30 - 100	12 - 15
301,302,303,304,316	100	14
301,302,303,304,316	500	18,5
308	100	13,1
308	500	18,6
309,310	100	11,9
309,310	500	16,1
Asbesto	37 - 150	0.074-0,101
Lana mineral	37 - 315	0.045-0.085
Corcho granulado	128 - 144	0.037
Plancha de corcho	170	0.037
Yeso en polvo	420 - 545	0.064 - 0.075
Ladrillos alúmina (92 - 99%)	427	2,68
Ladrillos aislante caolín	500	0,22
Ladrillos construcción	20	0,60
Madera	0 - 100	0.061

Emisividad de diversas superficies

El valor de emisividad a introducir tiene que corresponderse con el último revestimiento de la superficie, el que estará radiando calor al ambiente exterior

emisividad de diversas superficies Ref: Transmisión del Calor, McAdams
Materiales	temperatura, ºC	emisividad
Aceros inoxidables, aleaciones.
301	24	0.21 - 0.27
304 (8,18)	215-490	0.44 - 0.36
316	24	0.28
cromoniquel
Aluminio, aleaciones.	24	0.08 - 0.11
Cubiertas de aluminio	38	0.216
Chapa comercial y pulido	100	0.09
Cobre	80	0.018 - 0.019
Acero	24	0.10 - 0.15
Acero pulido	100	0.066
Hiero pulido	427 - 1030	0.14 - 0.38
Cinc comercial pulido	227- 327	0.045 - 0.053
Cinc, chapa galvanizada	100	0.21
Plancha hierro galvanizada	28	0.23 - 0.28
Amianto, cartón	23	0.96
Carbón grafitado	100 - 320	0.75
Negro de humo	50-1000	0.96
Esmalte blanco	19	0.90
Ladrillos rojos	21	0.93

Procesador de cálculo. Como utilizarlo

Este procesador se ha diseñado para que conociendo las características de los materiales que intervienen, la temperatura interior de una pared o superficie, la temperatura superficial y la temperatura ambiente, se puedan calcular los coeficientes de transferencia de calor y el calor total cedido al medio exterior. Las unidades técnicas empleadas se muestran en cada ventana de registro de datos del Formulario.

Se procede primero, recolectando los datos de cada material que compone el sistema. Estos valores son:

- la conductividad térmica de cada material.
- la emisividad de la superficie externa u último revestimiento.
- el espesor de cada material que componen la pared y de los materiales aislantes empleados.
- el espesor de las superficies curvas. De cada material que forma la tubería, los diámetros interno y externo.
- la temperatura interior de la pared o tubería, que será común a los revestimientos.
- la temperatura de la superficie exterior de la pared o tubería, que será común a los revestimientos.
- la temperatura ambiente a la que está expuesta la pared o tubería, que será también común

Se irán registrando en el Formulario uno a uno los materiales que componen la pared, desde la superficie interior en contacto con el fluido caliente o frio y de cada uno de los recubrimientos, hasta llegar al material de la superficie exterior o última. Cada vez que se registra el conjunto de datos de un material en el Formulario (su coeficiente, espesor y los datos comunes de temperaturas) se envían esos datos para que el procesador realice los cálculos. El procesador irá guardando los resultados de cada material registrado y enviado. De cada envio el procesador imprime el resultado acumulado en el Panel de salida, más abajo. Por eso mientras se esten enviando distintas capas que recubren la pared o la tubería, se va reportando el coeficiente total y el calor total transferido acumulado.

Como está preparado para múltiples materiales de revestimiento, en cada nueva capa que se agrega irá incrementando la resistencia al paso del calor y recalculará los coeficientes y el calor transferido. Recordemos que la emisividad se corresponde con el material de la última capa o pared exterior por lo que permanece constante.

Con los resultados podemos ir comprobando el efecto a la resisencia al paso del calor de cada uno de los materiales. Si quisiéramos reducir la temperatura superficial, y con eso disminuir el calor que se pierde al exterior, existen varias alternativas:

a) Aumentamos el espesor de los recubrimientos.
b) Mejoramos los materiales que recubren, buscando utilizar aquellos que tienen un coeficiente de conductividad térmica inferior
c) También pudiéramos reducir la temperatura interior de la pared, si el proceso tecnológico nos lo permite.

Los valores que registra el Panel de Salida nos enseña cuánta energía se pierde al transferir calor al exterior. Y recordemos, la energía está directamente asociada a las emisiones de CO2, considerando que la mayoría de los kJoule/h, kwh o kcal/ generados y transportados son en base a combustibles fósiles. Así que tengamos claro, a más pérdidas, más CO2 emitido a la atmósfera.